Напротив, если исходное газовое облако мало, плотность ядра остается низкой. Термоядерный синтез идет медленно, если вообще начинается. Внутренняя область звезды остается относительно холодной, давление не слишком высоко. Гидростатическое равновесие устанавливается, когда звезда сожмется примерно до 10 % размера Солнца – примерно с Юпитер. Результат: маловесная, прохладная и относительно тусклая звезда-карлик.
Если вы считаете, что звезды-карлики – это пустяк, то вы ошибаетесь. Начнем с того, что их намного больше, чем крупных и ярких звезд. В природе малое всегда имеет численное превосходство перед большим. Мышей больше, чем слонов, гальки больше, чем каменных глыб, астероидов больше, чем планет, – это общий принцип. Но карликовые звезды не только более многочисленны, но и живут намного дольше гигантских.
Живут дольше – но почему? Как это возможно? Раз они маленькие, значит, имеют меньше ядерного топлива, чем звезды-гиганты! Верно, у них меньшие, скажем так, «топливные баки». Но звезды-карлики еще и чрезвычайно скупы. Термоядерный синтез идет медленно и может продолжаться десятки миллиардов лет, несмотря на относительно малый запас водорода.
Если звезды-карлики – это медленные экономные микролитражки Вселенной, то звезды-гиганты – неэффективные пожиратели космического топлива. Пусть у них намного больше газа, они активно его тратят. Проходит не так уж много времени, как они выжигают весь запас водорода. Самые массивные звезды во Вселенной могут жить лишь около 1 млн лет.
Наше Солнце – нечто среднее. Не слишком массивное, не слишком маловесное. Как я уже говорил, оно находится примерно на середине ожидаемой продолжительности жизни в 10 млрд лет. Но, как и любая другая звезда, оно не будет жить вечно. Поскольку астрономы наблюдали другие солнцеподобные звезды на более поздних стадиях жизненного цикла, они знают, когда и как Солнце умрет.
В следующие несколько миллиардов лет водород в ядре Солнца истощится, поскольку по большей части превратится в гелий. Дальше от центра в толстой оболочке вокруг нового ядра с высоким содержанием гелия реакция слияния ядер водорода продолжится. Вследствие этого внешние слои будут постепенно расширяться. Наше Солнце медленно превратится в гигантскую звезду. Это печальная новость для всего живого на Земле. Не пройдет и 1 млрд лет, Солнце станет выделять столько энергии, что океаны нашей планеты начнут испаряться.
Тем временем гелиевое ядро становится все больше и массивнее. Ядра гелия упаковываются все плотнее. Постепенно, примерно через 5 млрд лет от нынешнего времени, плотность становится достаточно высокой для запуска следующего цикла ядерных реакций. Обойдемся без подробностей из области квантовой механики: из гелия синтезируются еще более тяжелые элементы – сначала углерод, затем кислород.
При термоядерном синтезе гелия выделяется намного больше энергии, чем при синтезе водорода. Из-за этой добавочной энергии Солнце расширится и станет красным сверхгигантом диаметром намного больше 100 млн км. Бедные Меркурий и Венера! Две ближайшие к светилу планеты Солнечной системы будут поглощены, их минералы и металлы перейдут в состояние перегретого пара, который смешается с внешними слоями Солнца, – величественная картина уничтожения планет.
Что касается Земли, то при некотором везении она избегнет адского пекла. Этому будет способствовать процесс, который я называю звездной лихорадкой, – верный признак близкого конца. Солнце начнет пульсировать, расширяясь и сжимаясь примерно каждые 24 часа. Побочным следствием станет постепенное сдувание в космос наружных слоев водорода. Сопутствующая потеря массы ослабит силу тяготения Солнца, воздействующую на планеты, и их орбиты расширятся. Этот эффект слишком слаб, чтобы спасти Меркурий и Венеру, но Земля может уцелеть, хотя ее каменная мантия покроет всю поверхность океаном раскаленной лавы (выживание – понятие относительное).
В течение 10 000 или 20 000 лет бóльшая часть мантии Солнца будет сдута в окружающее пространство, образовав красочный расширяющийся пузырь. На сегодняшний день астрономы внесли в каталоги тысячи подобных короткоживущих пузырей в Млечном Пути, но их должно быть намного больше. В силу исторической традиции они называются планетарными туманностями. Вильяму Гершелю, который первым описал их в конце XVIII в., они напомнили округлые диски планет, и название закрепилось.
Тем временем взрывной синтез гелия подходит к концу. Прошло (по вселенским меркам) мгновение, а бóльшая часть гелия в Солнце превратилась в углерод и кислород. Когда выделение энергии, противодействующей гравитации, прекращается, ядро звезды сжимается, пока не превратится в диковинный объект – белый карлик. В нем около половины первоначальной массы Солнца упаковано в сферу размерами не намного больше Земли. Его плотность – около 1 кг/мм3.
Сначала белые карлики чрезвычайно горячи. Температура на их поверхности может достигать 100 000 °С. Но из-за небольшой площади поверхности они не излучают много света. Даже самый близкий – до него менее 10 св. лет – известный нам белый карлик невозможно увидеть невооруженным глазом. Белый карлик медленно остывает, излучая остаточное тепло в ледяной космический вакуум.
Остается темный неактивный ком вырожденной материи – звездный шлак.
Покойся с миром, Солнце!
Причем здесь нейтронная звезда? Возможно, следовало сразу сказать, что Солнце недостаточно массивно, чтобы превратиться в нейтронную звезду. Как ни удивительны белые карлики, нейтронные звезды – еще более поразительные объекты. Чтобы сотворить их, нужно начать со звезды как минимум в 9 раз массивнее Солнца.
Как уже отмечалось, массивные звезды живут быстро и умирают молодыми. Их ожидаемая продолжительность жизни измеряется миллионами, а не миллиардами лет, как если бы эволюцию солнцеподобной звезды ускорили, нажав кнопку быстрой перемотки. Водородный синтез, расширение внешних оболочек, поджиг синтеза гелия, образование углеродно-кислородного ядра, потеря наружной водородной мантии – все происходит намного быстрее.
Дальнейшие события развиваются совершенно иначе. Причина проста. В звезде, имеющей массу, значительно превышающую солнечную, внешние слои сильно давят на ядро. Достигаются гораздо более высокие плотность и температура углеродно-кислородного ядра, чем это будет у Солнца: более 3 кг/мм3 и около 500 млн °C. Этого хватает для запуска очередного цикла реакций термоядерного синтеза, только теперь атомный двигатель в ядре звезды работает не на водороде, а на углероде.
Если оставить детали в стороне, примерно через 1000 лет (в зависимости от массы звезды) углерод превращается в неон, магний, натрий и кислород – космическая алхимия! Как только углерод заканчивается, ядро звезды снова начинает сжиматься. Его плотность и температура еще сильнее увеличиваются – настолько, что неон переходит в магний.
С этого момента процесс сильно ускоряется. Всего за несколько лет большая часть неона также расходуется. Ядро звезды теперь состоит из кислорода и магния. Оно сжимается, пока не запускается кислородный синтез, при котором кислород преобразуется в кремний и малые количества серы и фосфора. Этот процесс длится всего около года. Ядро звезды выжигает весь кислород, опять сжимается и разогревается примерно до 3 млрд °C. Затем менее чем за день ядра кремния сливаются, образуя всевозможные более тяжелые элементы, в том числе аргон, кальций, титан, хром и даже большое количество железа и никеля. Это уже не тот спокойный и равномерный процесс термоядерного синтеза, который мы наблюдали в ядре Солнца. (Напомню, что медленное превращение большей части солнечного водорода в гелий занимает миллиарды лет.) Это взрыв термоядерной бомбы астрономических размеров – космического оружия массового уничтожения.
Если бы мы могли разрезать эту звездную «бомбу с часовым механизмом», то увидели бы, что внутри она похожа на луковицу. В самом центре находятся железо и никель – конечно, не в виде твердых металлов, поскольку все вещества звезды имеют газообразное состояние, хотя и с невероятно высокой плотностью и температурой. Вокруг железно-никелевого ядра – скорлупа из кремния и серы. Дальше слой, содержащий кислород, неон и магний. Еще дальше идут слои кислорода, углерода, гелия и водорода, хотя к настоящему времени большая часть водорода успела унестись в космос. Относительно низкотемпературные реакции синтеза до сих пор протекают на границах слоев. Звездная луковица переполнена атомной энергией. Часовой механизм тикает.
Катастрофа начинается в ядре. Когда заканчивается кремний, атомный двигатель звезды лишается горючего. Дело в том, что ядра атомов железа и никеля не способны спонтанно сливаться в ядра еще более тяжелых элементов. Термоядерный синтез предпочитает создавать атомные ядра с возможно более высокой энергией связи (то есть более стабильные), но железо и никель обладают максимальной энергией связи. Проще говоря, природа не видит причины трансформировать их в более тяжелые элементы.
Гравитация тут же использует представившуюся возможность. Миллионы лет она пыталась спрессовать звезду до все более компактного размера, сближая, насколько возможно, частицы, из которых состоит звезда, но этой силе всякий раз противодействовало распирающее давление энергии светила. Наконец, упорство гравитации вознаграждается. Атомный двигатель звезды останавливается, и выработка энергии в ядре прекращается.
За секунду или еще быстрее ядро звезды коллапсирует. Невероятно горячий газ в несколько масс Солнца сжимается в сферу диаметром не более 25 км – размером примерно с Лондон или Париж. Этот сверхплотный шар ядерного вещества – почти 100 000 т в каждом кубическом миллиметре – называется нейтронной звездой. Итак, нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, израсходовавшей ядерное топливо.
Почему эти звезды называются нейтронными? Как вы, наверное, догадались, потому что состоят из нейтронов. До сих пор я о нейтронах не упоминал, но настало время совершить краткую экскурсию по миру субатомных частиц.